基于電流相角差的主動配電網故障定位方法研究

楊海柱，劉向陽，郭一鳴

（河南理工大學，焦作 454000）

0 引言

隨著化石能源的過度開采，現在越來越多的清潔能源被利用起來。伴隨著國家提倡的走可持續發展道路，目前風能和太陽能被利用的較為廣泛這樣就促使分布式發電技術在最近幾年里快速發展。研究表明配電網中廣泛采用分布式電源（distributed generation，DG）可以在產生清潔能源的過程中發揮關鍵作用，具有巨大的經濟和環境效益[1]。分布式發電技術的發展應用，一方面能夠充分利用資源，可以把過剩的電能通過并入大電網供應其它用戶使用這樣就可以提高利用效率創造更多的經濟效益；但是，另一方面由于DG的接入改變了電網原來的潮流特性使得原有的配電網繼電保護和故障定位不再適用。快速的故障定位可以提高主動配電網的可靠運行能力，文中通過研究了主動配電網的運行特點提出了一種基于電流相量的故障定位方法。

傳統的配電網多使用的是重合閘過流保護，在線路發生故障時，通過配電自動化信息確定故障線段[2]，實現故障定位。由于傳統的電網是單電源網絡，其保護和定位都是基于單相潮流特性，但是隨著DG的大量接入改變了原來配電網的潮流特性，使得現在的配電網變成了一個復雜多變的有源網絡[3,4]。這使現有的繼電保護可能會發生誤判或者拒動，因此不再適用。目前可用于主動配電網的故障定位方法有基于配電自動化信息[5]和基于廣域信息。基于廣域信息又被分為基于獨立信息[6,7]和基于聯合信息[8,9]，文中提出的方法就是基于廣域聯合信息[10]的電流相角差值故障定位方法。該方法在電流相位差動保護的基礎上[11]，分析了主動配電網的電流相角在故障時的變化特征，提出了基于電流相角差的故障區間定位方法，在該方法的基礎上精確了判定閾值的設定公式。使其能夠更加準確的進行故障定位，而不再發生誤動和拒動的情況。

1 電流相角差值變化分析

我們對區段里的電路相角變換進行分析。我們在分析其故障特性的時候把主動配電網分成簡單的雙端無分支區間。如圖1所示，就是其中一個區段兩端的節點分別是m和n。初始負荷功率是從m流向n，我們定義電流的參考方向和功率的流動方向一致，則該區段內的電流正方向就是m節點指向n節點。其節點電流Im和In處的相位角分別是θm和θn，則定義該區段的電流相角差Δθ的表達式為 θ=θm-θn。

1.1 故障前電流相角差值分析

分析主動配電網時可以采用集中參數π型線路模型，對分開的各個區段進行等效分析。考慮到主動配電網絡里大多使用的是電纜線路含有分布式電容并且系統里的DG工作導致負荷電流降低，使對地電容電流與負荷電流的比值增大，造成區段兩端的節點電流相角有一定的差值。所以，分析時要考慮分布式電容對電流相角的影響。配電網一般為Y型直接接地，文中對研究區段里的其中一相進行故障前后的等效分析操作如下。

圖1 研究區段等效示意圖

對圖1一個長為L的單相雙端無分支區段，其等效模型如圖2所示，其中節點m和n處的電壓分別為Um和Un，電流分別為Im和In，Zmn為線路的串聯阻抗，Y是線路的并聯導納。由于有并聯導納的影響，導致對地電容電流對線路里的電路產生影響，所以Im和In之間的幅值和相位不一樣，如圖3所示，I=Im-In。通過分可知兩端電流在電網正常運行的情況下相角會有一個夾角θ，在正常運行時該角較小（θ≤5°）。Im的幅值略大于In的幅值，| I|略大于0，在此情況下有：

在區段里對地電容電流與線路電流的比值小于10%的情況下，可以根據式(1)對夾角θ進行估算得：

圖2 研究區段電路等效模型

圖3 電流相量圖

1.2 故障后電流相角差值分析

當區段內發生故障時，其等效模型如圖4所示，Lm和Ln分別為m和n點據故障點F的距離。Umf和Unf為故障后兩端節點處的電壓，Imf和Inf分別為故障后兩端的節點電流，Zmf和Znf分別為兩端點到故障點的串聯阻抗，Uf為故障處的等效電壓，Zf為故障點處的等效阻抗，Ym和Yn為線路的并聯導納。此時電路兩端節點處電流Imf和Inf的相量圖如圖5所示。

圖5 故障時電流相量圖

當發生的為相間短路時，Zf等效為相間短路過渡阻抗，Uf等效為其他相對該故障相的影響；當發生的為接地短路故障時Uf為零，Zf為短路過渡阻抗對線路進行等效。推導出故障時故障電流Imf和Inf的通用公式：

式(3)、式(4)里的參數分別為：

當區段內發生故障后由式(3)、式(4)分析得如果區段兩端都有電源時，Imf和Inf之間相角差θf變大，成為一個鈍角，此時θf>θ；如果該段線路僅有一端有電源，則在故障點處的等效電壓Uf和等效阻抗Zf的共同作用下使故障區段的并聯導納增大，同樣導致夾角θf增大θf>θ。

經過上述的分析可知，當主動配電網線路正常工作時由于線路里面并聯導納的影響Imf和Inf之間有一個小的夾角θ這個時候由于電路里面沒發生故障不需要電路里的保護元件進行動作；當電路里發生故障時造成夾角變大，這時候需要電路保護進行動作，我們就需要快速準確的定位出故障區間。我們需要考慮由于正常工作時的電流相角度差值發生誤判的動作，在文中里采取了設定閉鎖角的方法來避免這個情況[12,13]。

2 故障判斷與閉鎖角整定

在主動配電網的單相區段里可根據電流相角差值來判斷是否發生故障，即當相角差的絕對值|θf|在多個采樣點都有|θf|＞δ，則表明該段有故障發生，如果不是則沒有故障。實際采樣時，采樣點N的值需要適當的選取，以實現快速準確的定位故障。N值較小時，定位就會快速、靈敏，但是可靠性型就會降低。δ是判定閥值[14]，其取值由由多種因素決定具體分析如下：

考慮到電流互感器根據10%的誤差曲線選取，其角度誤差≤7°，一般取互感器的相位誤差角為7°；高頻電流從線路的一端相另一端傳送所需延時相角差α，一般取值，其中l為高頻通道長度，km；考慮到未計及誤差等因素，取一個裕度角一般取值為15°。由此可得δ的整定公式為：

δ的取值一般整定為30°。以Im的方向為參考方向，若N端電流In落在δ的范圍內，則不發出故障指示；如果落在δ的范圍外則會發出故障指示，如圖6所示。此時，我們就能準確定位出故障區段。

圖6 閉鎖角與故障動作范圍

主動配電網絡里面含有單相、兩相和三相線路。其中單相和兩相線路一般用于負載供電的分支線路，可等效為對應的單相負荷；重要的供電線路為三相的并且含有DG。我們可根據這把主動配電網等效為三相系統。把單相故障判定方式用到三相線路區段的每一相，可根據判斷各相線路是否發生故障進而完成故障定位，不受三相電流不平衡的影響。

3 故障區間定位

3.1 定位方法的原理

為了在快速的定位出主動配電網的故障區間，文中里面提出的一種基于電流相角差的定位方法。其原理結構圖如圖7所示。

圖7 定位原理圖

文中提出的主動配電網故障定位方式只需要對電流信息進行測量，為了保證可以準確定位，要求測量時同步測量。通過各區段線路里安裝的設備，實現區段內的故障判斷，控制中心綜合各區段的信息進行故障定位。通過快速傅里葉變換來獲取區段兩端點的電流相角，根據采集到實時相角來進行故障定位。

3.2 實用性分析

文中提出的方法把主動配電網系統中的電路分成多條雙端無分支的區段，如果區段內存在分支，同樣對其進行分割。該方法適用于含多種DG的主動配電網中，同時也適用于DG滲透率高的系統。該方法要求采樣頻率不低于5kHz，同步誤差小于0.2ms[15]。信號采集可以使用全球定位系統（global position system，GPS）或計算機網絡同步測量[16]。使用GPS同步測量時誤差在0.1us以內[17]。目前用于配電網里的同步采樣頻率也超過了25kHz，所以該方式要求的采樣頻率目前的技術可以滿足。

4 仿真分析

為了驗證所提出的方法在主動配電網發生故障時對故障定位的準確性，利用PSCAD/EMTDC軟件建立了系統仿真模型對該方法進行驗證。

4.1 案例分析

使用PSCAD軟件建立如圖1所示，帶有分布式電源的配電網仿真模型，接下來分析該配電網線路在發生短路故障時的電流相量角度變化，通過對故障時電流相量角度差和判斷閥值進行比較來驗證文中所提的方法的準確性。故障發生時刻設置為0.1s，持續時間為0.01s。

當發生單相接地短路故障時，測得故障電流如圖8所示，經過快速傅里葉變換可得在故障時刻采集到的電流Im的相角為79.2°，In的相角為-85.9°相角差的絕對值為165.1°，大于整定值δ。

圖8 單相接地故障電流波形圖

當發生兩相故障時有兩相短路故障和兩相接地故障兩種，此時可以通過測量線路的零序電流幅值來辨別。當發生的是兩相短路故障時，線路端口的零序電流im=in=0；當發生的是兩相接地故障時，im和in至少有一個不為零。發生兩相短路故障時故障電流波形如圖9所示，通過快速傅里葉變化得到電流Im的相角為-57.5°，In的相角為18.7°相角差的絕對值為76.2°，大于整定值δ，零序電流幅值如圖10所示。

圖9 兩相短路故障電流波形圖

圖10 兩相短路故障零序電流幅值

當發生兩相接地故障時故障電流波形如圖11所示，通過快速傅里葉變化得到電流Im的相角為-45.4°，In的相角為20.8°相角差的絕對值為66.2°，大于整定值δ，零序電流幅值如圖12所示。

圖11 兩相接地故障電流波形圖

圖12 兩相短接地故障零序電流幅值

電路發生三相短路故障時故障電流波形如圖13所示，通過快速傅里葉變化得到電流Im的相角為-55.6°，In的相角為16.2°相角差的絕對值為71.8°，大于整定值δ。

圖13 三相短路故障電流波形圖

通過案例分析可知，當仿真電路發生不同類型的故障時，故障電流的相角差都大于整定值δ，通過這可以準確的判斷出故障的發生。

4.2 系統仿真

利用PSCAD軟件搭建如圖14所示的主動配電網。系統變壓器選取的容量為500MVA，電壓為10.5kV。DG1、DG2和DG3分別是三個容量為2MVA的分布式電源，線路1、3、4是架空線路，參數為x1=0.347Ω/km、r1=0.27Ω/km；線路2、5是電纜線路，參數為x1=0.093 Ω/km、r1=0.259Ω/km。在每個節點處接有額定容量為1.5MVA，額定功率因數為0.85的負荷。

表1是當線路發生不同類型故障時，保護裝置采集到的端口電流信息其中Im是線路左端口電流，In是線路右端口電流，Δθ是相角差。

圖14 系統仿真模型示意圖

表1 系統仿真結果

在發生單相接地故障時電流相角差為-232.4°超出規定范圍（-180°～+180°]，所以加上360°。通表1可以得出，當仿真系統發生不同類型的故障時,利用文中所提出的方法仍然可以對其進行準確定位。

5 結語

文中通過研究線路故障時兩端電流相角的變化特性，提出了采用電流相角差值進行故障定位的方法。該方法不需要采集電壓信息，減少了同步信息采集的同時也減少了經濟投資。通過仿真可以得到該方法可以準確的用于主動配電網的故障定位，在不同的故障類型下該方法都具有較高的準確性和魯棒性。